Solidworks钵育水稻栽秧机纵向进给机构的三维设计.docx

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Solidworks钵育水稻栽秧机纵向进给机构的三维设计

摘要

本文根据目前我学院插秧机的研究现状，结合国内外插秧机进给机构，提出两套纵向进给机构的设计与仿真。

使用专业CAD软件SolidWorks先按照预定的轨迹，设计出进给机构。

然后根据机构设置具体零件，再装配调试，并最终得到两套设计方案。

使用SolidWorks分别建立两套方案的装配文件及爆炸视图。

分别对两套进给机构进行Animator仿真与COSMOSMotion仿真，最后使用COSMOSMotion分析整个设计机构，提出分析意见。

本设计需要用SolidWorksOfficePremium（SW完全版3.42GB）才能进行COSMOSMotion仿真，文中多处介绍COSMOSMotion仿真工具的用法。

要完美的模拟仿真，还要用到Microsoft.NETFramework2.0和DirectX9.0c。

本设计是以我学院自行设计的插秧机基础进行研究的，许多基础数据来自假设。

设计结果仅作为插秧机进给机构的一种参考。

关键词：

进给机构，插秧机，动画仿真，SolidWorks

1.绪论

1.1选题的意义

水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的主要粮食作物，其常年种植面积和总产约占我国粮食作物的28%和40%，种植方式主要为传统的人工插秧。

虽然我国在20世纪60年代已开始水稻种植机械化研究，对插秧机关键部件的设计与研究有所突破，但使用成本高，可操作性差，远不及水稻生产机械化中的耕作机械和收获机械，与我国经济社会的发展状况不协调，严重制约了我国水稻生产的发展，成为制约水稻生产全程机械化的瓶颈，也限制了我国水稻生产的规模化、专业化、商品和现代化的发展。

国内对机插秧技术的设计与开发手段还较为传统，很大一部分是借凭经验进行类比设计，一般只进行静态分析而不注重动态特征分析。

不像汽车制造、工程机械、航空航天等工业产品应用先进虚拟样机技术进行研发。

基于SolidWorks三维设计软件虚拟样机技术解决方案，对水稻栽秧机器进给机构的模拟设计，运动仿真，具体解决其在运动中的运动直观图，运用虚拟样机技术可以较好地解决复杂的水稻插秧机的设计、动力学分析和参数优化，可大大减少研发成本和物理样机制造、试验的周期，具有巨大的工程实用价值,对我国水稻插秧机设计水平的提高有极大的促进作用。

加快水稻插秧机关键技术的研发步伐，对推动我国水稻种植机械化的发展，对促进规模化生产、农业结构调整、农村劳动力转移、新农村建设和实现农业现代化具有重要的意义。

在设计阶段中，熟悉掌握SolidWorks产品基本造型方法，必将对以后的工作与学习有巨大帮助。

1.2插秧机进给机构研究的现状

我国目前普遍使用的插秧机对其纵向进给机构、横向进给机构、分秧机构进行了改进研制成与该技术配套的植质水稻钵育栽植机。

我院研究插秧机器已经很多年，在研究过程中已获得很多技术突破和关键性的成果。

纸盘水稻钵秧栽植机的工作过程是将早地里育好的水稻纸盘钵秧苗盘整体地置于栽植机秧箱上的栅板橡胶带式纵向进给机构中,纵、横向进给机构与栽植育协调工作,共同完成分秧并通过栽植份最终将钵秧苗植人田间。

1.2.1纵向进给机构的结构设计

图1-1水稻植质钵育秧盘

1.钵育孔2.进给孔

水稻植质钵育秧盘是将稻草粉为主要原料，添加水稻生长所必需的营养济和凝结济，经特殊加工工艺制成。

如图1-1，秧盘长580mm，宽265mm，高23mm，每只秧盘经纬排列，29行14列，共406穴。

这种新型秧盘盛土充足，透气性好，益于盘根，便于栽植，可育出带蘖的钵块壮秧。

水稻栽植中，新型秧盘可保证秧苗根系完整，不缓苗。

随着水稻生长，秧盘缓慢将解，可为水稻提供生长所需营养。

水稻植质钵育栽植机的工作过程是将旱地里育好的水稻植质钵育秧盘整体地置于栽植机秧箱上的栅板橡胶带式纵向进给机构中，纵、横向进给机构与栽植臂协调工作，共同完成分秧并通过栽植臂最终将钵秧苗植入田间。

由于育秧盘的结构（图1-1所示）其穴钵纵横为经纬排列，所以钵苗的株、行间距均为20mm。

栅板橡胶带装置位于栽植机秧箱下方的秧门附近正中央，其带面为栅板形，封闭的栅板橡胶带分别套在秧箱背面的两根步进轴的进给轮上，其动力由工作箱输出的摆动力通过摆臂及棘轮机构提供。

橡胶栅板间间距与钵盘上的钵块尺寸相吻合。

每排钵块均与栅板啮合，并随橡胶栅板带前进无相对滑差，进给准确。

栅板橡胶带的两边各有一排等距型孔，进给轮爪插入其中。

当进给轮转过一个角度（一齿）时，通过轮爪拨动胶带前进一步，使秧钵盘被推进一排均匀进给，确保栽植机构准确分秧。

1.2.2纵向进给机构的工作原理

图1-2纵向进给机构

1.秧盘长压条苗2.秧盘短压条3.秧盘挡板4.滑道5.秧箱6.护苗器

7.秧盘定位支撑切割装置8.方管9.板式橡胶带10.驱动轮11.植质钵育秧盘

如图1-2所示，机器在插秧作业前打开长压条1将秧盘置于板式橡胶带9上，并使之处于分秧位置。

作业时分秧装置每插一穴秧苗，横向进给机构驱动秧箱移动一个穴距（20mm）。

当插完一排秧苗后，插秧机的自动纵向进给机构工作。

其动力由机器的工作箱提供的摆动力矩，转变成棘轮棘爪机构的回转运动，再通过链条传动将运动传给驱动轮10，通过栅板橡胶带带动植质钵育秧盘11向前进给一个，穴距（20mm），完成纵向进给运动，使纵向进给量的精度提高，有效地保证了秧苗的栽植精度。

为了使每一盘的最后一排秧苗均能顺利分秧，本机械上设置了秧盘挡板3，既保证了每盘的最后一排秧苗的分秧，又能确保与下一盘秧苗的适时连接，使插秧过程连续进行，有效地控制缺苗率。

1.2.3双向螺旋进给机构的设计

秧箱、链箱、栽植臂等参数不变，但移箱机构参数中原机分秧决数为18次，横向进给量15．6mm，该项目分秧次数要求14次，横向进给量为20mm，横向移动总量为260mm，为此必须改变工作箱中双向螺旋轴的基本参数与相应量的结构（见图1），由图中可见在保证总移动量260mm的情况下，将螺距由30．6mm改为40mm，轴径也相应加大，由26mm改为4,35mm。

其螺旋升角比原机还小（见图1-3）。

因此改变后增大了轴向推力，提高了螺旋轴的寿命。

为此双联移动套也相应的作了变动。

工作箱内其它部件均可通用。

图1-3双向螺旋轴

1.2.4学院知识产权现状

植质水稻钵秧栽植技术及其配套机械是目前国内外位居先进地位的水稻移植技术和机械，它的研究是一项融农业、农机、机械和造纸行业为一体的系统工程，在这项研究中我院已向国家知识产权局申请了一项“发明专利”和两项“实用新型专利”并获批准。

就栽植机而言，与目前国内外普通栽植机不同，它需要的纵、横向进给均特别精确。

为了确保分秧精度，横向进给机构是它的核心部件，如若进给不到位，则分秧后田间会出现几米内无秧苗，反之几米内出现重苗。

而采用我们研制的特殊“水稻植质钵秧栽植”纵向进给机构，可有效的确保进给准确，从而有效的保证分秧栽植的高精度要求。

我院自行设计的纵向传动机构见图1-4。

1.3研究插秧机进给机构的步骤

本课题尝试用专业的CAD软件SolidWorks对水稻栽秧机进给机构进行设计和分析，严格计算各个构件的尺寸，对每一个构件进行运动轨迹的分析。

发挥SolidWork强大的仿真功能进行装配和运动分析，并且模拟水稻栽秧机进给机构的运动过程，直观的演示设计结果。

图1-4我院自行设计的纵向传动机构

具体研究步骤：

（1）查阅水稻植质钵育栽植技术相关文章及机构，了解国内外相关机械及工作原理。

（2）采用多种方式（机构设计）设计插秧机进给机构。

（3）画出机构简图及机构装配图。

（4）应用SW对关键部件进行力学分析并对机构进行动态仿真。

1.4论文的主要研究方法

本课题将从以下几方面进行尝试性产品数字化研究：

（1）研究符合学校自行设计插秧机的进给机构。

（2）进给机构的Animator仿真。

（3）用COSMOSMotion仿真分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用动画、图形、表格等多种形式输出结果。

2.SolidWorks动画仿真与运动分析简介

2.1产品数字化变革与仿真设计发展

随着信息技术在各领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术发行、带动整个产品结构的变革、发展新兴技术、促进经济增长的都具有十分重要的意义。

计算机辅助技术的在工业设计与制造领域的应用越来越广泛，这一技术带来的变革之一就是产品数字化。

产品数字化的发展历程大致可以分为三个阶段：

第一阶段为广泛使用计算机辅助工具：

CAD、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）、CAE等；

第二阶段是在CAX的基础上应用并行工程、DFM（面向制造的设计）、DFA（面向装配的设计），以PDM（产品数字管理）为集成平台，将这些应用集成为一个整体；

第三阶段是在并行工程的基础上大量使用仿真手段，构建产品的数学化模型，进行电、机、液等协同化仿真试验，进行优化设计，以减少开发成本，有益于产品的市场推广。

当今的工业设计对市场开发的要求下越来越高，这就需要CAD进行面向市场的开发。

工业设计技术的对象将从单个产品的造型设计发展为产品的研发策划技术，使产品开发始终围绕市场和人的需求，特别注重企业无形资产的开发，如品牌、形象。

计算机辅助工业设计是工业设计领域的前沿，这不仅意味着设计手段的改变，同时也改变了工业设计的思维方式。

就产品制造中所涉及的模型种类来说，大致可分为三类，即产品模型、制造系统模型和开发过程（包括设计、加工、装配、测试等）模型。

其中产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型是产品开发必须要考虑的约束。

这里的制造系统是一个广义的概念，包括物料供应、加工、装配和检验等所有方面。

仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的：

（1）以产品模型为中心的仿真。

包括产品的形态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配必分析。

在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。

因此，产品本身的仿真，如CAE、DFA等，是仿真技术的制造业应用的基本方面。

（2）以制造系统模型为中心的传真。

包括对于复杂制造装备（如加工中心、机器人等）的仿真、对于复杂制造系统（柔性制造车间的设计和运行）的仿真。

仿真的目的在于，确定设备能力的运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。

（3）以开发过程模型为中心的仿真。

包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。

产品的开发大致包括设计和制造两个阶段。

在设计阶段，产品的性能和成本就已基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要必，以及设计过程中多学科轮作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和传真越来越受到人们的重视。

仿真的目的在于缩短周期，降低成本。

制造过各是仿真应用的传统方面，制造过程的仿真必须把产品模型和制造系统模型结合起来加以考虑，但它不仅仅是两者的简单相加，还需考虑控制策略、库存能力、负载能力等方面的问题。

传统的机械行业仅仅注重产品的前期功能性设计，例如工艺性、成本、生产周期等，这些领先一些常用的CAD软件即可完成，在后期验证产品功能时，辅助使用一些CAE软件来进行有限元分析或者综合动力学分析。

在市场经济条件下的产品开发，除了对产品本身功能进行设计外，还需注意产品的后续宣传和形象传递，其采用的形式多种多样，如海报、说明书、产品操作动画演示、渲染图像等。

特别是如何使用产品动态动作，符合其实际的规律，并且把这种视像记录下来，这是一门新兴的学科，在产品开发过程中正占据越来越重要的地位。

动画是一种传递设计思想，记录仿真的良好的载体，它的特点已经形象和直观。

在某些场合下，例如产品的内部结